熱電偶綜合實(shí)驗(yàn)改革與實(shí)踐

黃曉璜,崔國民,趙志軍,胡曉紅,李 晨,林樹秀

(上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,上海 200093)

熱電偶綜合實(shí)驗(yàn)改革與實(shí)踐

黃曉璜,崔國民,趙志軍,胡曉紅,李 晨,林樹秀

(上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,上海 200093)

培養(yǎng)和提高大學(xué)生實(shí)踐動手能力、創(chuàng)新能力是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要目標(biāo),是現(xiàn)代高等教育教學(xué)發(fā)展的客觀要求,也是“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的內(nèi)在要求。針對上海理工大學(xué)“動力工程測控技術(shù)實(shí)驗(yàn)”的教學(xué)目標(biāo),探索將熱電偶標(biāo)定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為集熱電偶制作、標(biāo)定、自動化采集為一體的熱電偶綜合實(shí)驗(yàn)。實(shí)踐表明,熱電偶綜合實(shí)驗(yàn)的改革與實(shí)踐對提高教學(xué)質(zhì)量,加強(qiáng)學(xué)生對綜合知識的理解與運(yùn)用,鍛煉學(xué)生分析問題解決問題能力方面具有明顯的效果。

熱電偶制作;熱電偶標(biāo)定;數(shù)據(jù)采集;綜合實(shí)驗(yàn)

Abstract： Training and improving the practical and innovative ability of college students are an important goal of experimental teaching.It is an objective requirement of modern higher education,and also an inherent requirement of the Education Program of Outstanding Engineers.Aiming at the teaching goal of Power Engineering Measurement and Control Technology experiment in University of Shanghai for Science and Technology,the thermocouple calibration experiment is designed as a thermocouple synthesis experiment,which integrates thermocouple manufacture,calibration and automatic acquisition.It is shown that the reform and practice of synthetical experiment of thermocouple can significantly improve the teaching quality,strengthen the understanding and application of the comprehensive knowledge,and exercise students’ ability to solve problems.

Keywords：thermocoupleproduction;thermocouplecalibration;dataacquisition;syntheticalexperiment

教育教學(xué)質(zhì)量是高校的立校之本,在構(gòu)成教育教學(xué)質(zhì)量的諸要素中,實(shí)驗(yàn)教學(xué)所起的作用毋庸置疑[1]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等學(xué)校教學(xué)的重要組成部分[2-3],也是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動手能力和創(chuàng)新精神的重要途徑,對鞏固學(xué)生所學(xué)的基礎(chǔ)理論知識和專業(yè)知識具有重要意義。因此,高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的作用已從過去僅僅作為驗(yàn)證理論知識、加深對已有理論知識的理解,轉(zhuǎn)變?yōu)榘褜?shí)驗(yàn)作為培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新精神,提高理論實(shí)踐能力,增強(qiáng)工作能力的重要手段[4]。近年來,各高校對實(shí)驗(yàn)教學(xué)越來越重視,從實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)手段等各個環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)改革,將學(xué)生基礎(chǔ)理論知識、能力和素質(zhì)的培養(yǎng)有機(jī)地結(jié)合起來,注重學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[5-6]。鑒于此,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平,提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣,培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐動手能力是教學(xué)改革的目標(biāo)。

一、教學(xué)現(xiàn)狀

“動力工程測控實(shí)驗(yàn)”是能源動力類專業(yè)學(xué)生的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程,其主要內(nèi)容包括熱工過程的溫度、壓力、流量、流速等熱工基本量的測試技術(shù),計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù),測控系統(tǒng)的基本特性、測量系統(tǒng)(傳感器、變送器、顯示記錄器)的原理與構(gòu)成等。該實(shí)驗(yàn)課程包括8項(xiàng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,其中,熱電偶標(biāo)定實(shí)驗(yàn)是該實(shí)驗(yàn)課程的重要實(shí)驗(yàn)之一。

然而,經(jīng)過近幾年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)現(xiàn),熱電偶標(biāo)定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一,實(shí)驗(yàn)時間較長,過程單調(diào)、枯燥。在實(shí)驗(yàn)過程中,很多學(xué)生出現(xiàn)了知其然不知其所以然的現(xiàn)象,學(xué)生缺乏實(shí)驗(yàn)的主動性和積極性,教學(xué)效果并不理想。因此,探索將熱電偶標(biāo)定實(shí)驗(yàn)改革設(shè)計(jì)為集熱電偶電焊法制作、熱電偶比較法標(biāo)定、熱電偶溫度數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)為一體熱電偶綜合實(shí)驗(yàn)。熱電偶綜合實(shí)驗(yàn)具有系統(tǒng)化、分層次、階梯化,由淺入深。學(xué)生不僅系統(tǒng)學(xué)習(xí)熱電偶知識,動手制作熱電偶,動手標(biāo)定熱電偶,還可以利用所學(xué)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù),將其應(yīng)用于熱電偶溫度采集中。該措施使得學(xué)生完成制作、校準(zhǔn)、應(yīng)用的過程,既激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,也符合現(xiàn)代社會對熱能與動力工程專業(yè)學(xué)生提出的更高要求。

二、教學(xué)改革內(nèi)容

將原有的“動力工程測控技術(shù)實(shí)驗(yàn)”中的熱電偶標(biāo)定實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為熱電偶綜合實(shí)驗(yàn),該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容分為三個層次:熱電偶制作實(shí)驗(yàn)(基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn))、熱電偶標(biāo)定實(shí)驗(yàn)(設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn))和熱電偶數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)(創(chuàng)新實(shí)驗(yàn))。實(shí)驗(yàn)采取循序漸進(jìn)、先易后難、逐步提升的教學(xué)方法,爭取提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量,加強(qiáng)學(xué)生對綜合知識的理解與運(yùn)用,鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?提高學(xué)生解決問題的能力。

(一)熱電偶制作實(shí)驗(yàn)

熱電偶的制作是學(xué)生最感興趣的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),在興趣的驅(qū)動下,學(xué)生去動手體驗(yàn)、實(shí)踐探索,真正實(shí)現(xiàn)一個從無到有的過程,從而培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和工程創(chuàng)新能力,實(shí)現(xiàn)知識向能力的轉(zhuǎn)化,在這個過程中,滿足了學(xué)生獲得成功的成就感。

熱電偶的制作實(shí)驗(yàn)主要是依據(jù)熱電偶的工作原理而來的,電熱偶是工業(yè)上最常用的一種測溫元件,它是由兩種不同的導(dǎo)體絲A和B,焊接組成一個閉合回路而構(gòu)成的。如圖1所示。因此,熱電偶的制作主要是材質(zhì)不同的熱電偶絲并排焊接在一起,使其在測量端形成一個圓形小球。

圖1 電熱偶原理圖Fig.1 Thermocouple principle diagram

熱電偶測量端的焊接方法很多,如電弧焊、水銀焊接、鹽水焊接、鹽浴焊、對焊、壓接焊、錫焊等方法[8]。實(shí)驗(yàn)室焊接方法主要采用電弧焊的方法,如圖2。首先,學(xué)生在焊接前應(yīng)仔細(xì)去掉熱電偶絲靠近待焊端部的絕緣層,然后將這兩根被焊的熱電極絞成麻花狀并將兩端部剪齊平。然后,通過電壓調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)電壓到一定值為焊接電源。最后,用金屬夾子夾住待焊端作為一個電極,用炭棒作為另一個電極,當(dāng)炭棒與被焊熱電偶絲頂端接近時,產(chǎn)生的瞬間電弧將兩根熱偶頂部熔接在一起而形成一個小圓球制作,此時制作過程完成。

圖2 焊接方法Fig.2 Welding method

焊接的質(zhì)量直接影響熱電偶測溫的可靠性。因此,學(xué)生應(yīng)該獨(dú)立對制作好的熱電偶進(jìn)行分析與判斷。實(shí)驗(yàn)教師采取提問的方式,讓學(xué)生了解對熱電偶的可靠性的判斷。比如向?qū)W生提問:熱電偶是否焊接牢固?是否具有金屬光澤結(jié)點(diǎn)表面圓滑?是否有沾污變質(zhì)和裂紋的現(xiàn)象?焊點(diǎn)直徑是否約為熱電偶絲直徑的兩倍?電極是否出現(xiàn)折損、扭曲現(xiàn)象? 等等。

熱電偶測量端焊接好后,實(shí)驗(yàn)教師再引導(dǎo)學(xué)生制作熱電偶冷端。將已經(jīng)選取好的兩根合適的連接導(dǎo)線與參考端的兩個熱電偶絲分別焊接,將制作好的熱電偶的冷端置于冷凍液中,用絕熱硅膠對冷端采取保護(hù)措施。在這個過程中,也會以問題的方式,引導(dǎo)學(xué)生自己提出熱電偶冷端的制作方法。為何采用此種制作方法?有沒有其他制作方法?怎樣制作?

通過對熱電偶的制作,讓每位學(xué)生獲得了屬于自己的那一根熱電偶。然后,實(shí)驗(yàn)教師繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生,提出是不是將制作好的熱電偶可以直接投入到生產(chǎn)實(shí)踐中?通過學(xué)生的思考,引出熱電偶標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。

(二)熱電偶標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

為了保證熱電偶測量的準(zhǔn)確可靠,在測量區(qū)域內(nèi)更好地反映其真實(shí)特性,新制造或使用中的熱電偶需要進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)。因此,在使用熱電偶之前,都需要開展熱電偶的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在掌握了熱電偶的制作方法后,對熱電偶的工作原理有了更進(jìn)一步了解與掌握,在這個基礎(chǔ)上,開展熱電偶的標(biāo)定實(shí)驗(yàn),對學(xué)生鞏固熱電偶的相關(guān)知識具有重要的作用。通過該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)習(xí),掌握了標(biāo)定方法,將會對以后的工作或研究有所幫助。

熱電偶標(biāo)定的方法有兩種:比較法和定點(diǎn)法。前者常用于校驗(yàn)工業(yè)用和實(shí)驗(yàn)室用熱電偶。比較法是用待標(biāo)定熱電偶與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測量同一溫度,得到一組待標(biāo)定熱電偶和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電勢值,然后通過標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)分度表查得對應(yīng)的溫度,就可得到該溫度下對應(yīng)的待標(biāo)定熱電偶的熱電勢,并繪制出熱電勢-溫度散點(diǎn)圖,并通過擬合得到待標(biāo)定熱電偶熱電勢與溫度的關(guān)系曲線。

實(shí)驗(yàn)過程中(見圖3),根據(jù)標(biāo)定溫度范圍選擇恒溫槽;將待標(biāo)定的熱電偶以及標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱端按要求置于恒溫槽內(nèi),冷端置于零度槽;打開恒溫槽,調(diào)節(jié)恒溫槽的溫度至第一個工況點(diǎn);待工況穩(wěn)定后,通過數(shù)字毫伏電壓表讀取該工況下標(biāo)準(zhǔn)定熱電偶和待標(biāo)定熱電偶的電勢值;改變5～8次工況,每次工況穩(wěn)定并記錄;擬合計(jì)算得到待標(biāo)定熱電偶溫度t和電勢e的關(guān)系。

圖3 熱電偶標(biāo)定系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of thermocouple prover system

實(shí)驗(yàn)教師在開展實(shí)驗(yàn)時,讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)熱電偶標(biāo)定實(shí)驗(yàn)方案,根據(jù)已制作的熱電偶,結(jié)合實(shí)驗(yàn)室提供的器材,搭建實(shí)驗(yàn)標(biāo)定系統(tǒng),完成熱電偶標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。在學(xué)生搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)時,實(shí)驗(yàn)教師在旁巡視,適時對感到有難度的學(xué)生以問題的方式進(jìn)行點(diǎn)撥。學(xué)生獨(dú)立搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并完成實(shí)驗(yàn),這種方式往往讓學(xué)生沉浸在實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中,這對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣,動手能力的提高具有明顯的效果。

在熱電偶標(biāo)定中,測量方法采取讀表和手工記錄的方式,比如用到轉(zhuǎn)換開關(guān)和數(shù)字電壓表,該種方式具有手工測量反應(yīng)慢,測試耗時,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無法實(shí)時保存,需要專門的標(biāo)定人員持續(xù)跟進(jìn),人為誤差影響較大等缺點(diǎn)。因此,在這種情況下,對學(xué)生提出問題,是否能結(jié)合所學(xué)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)對該標(biāo)定裝置進(jìn)行改進(jìn),為下一步的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)做鋪墊,也讓學(xué)生真切地感受到開發(fā)更新更現(xiàn)代的實(shí)驗(yàn)裝置的必要性和意義。

(三)熱電偶數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

為了改進(jìn)熱電偶標(biāo)定裝置,同時提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力,將計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)引入標(biāo)定裝置中,發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性,讓學(xué)生動手探索實(shí)踐。由于該實(shí)驗(yàn)是創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn),難度較高,對學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集控制技術(shù)等“動力工程測控技術(shù)”理論知識要求程度較高,這一層次的實(shí)驗(yàn)對學(xué)生提出了更高更難的要求。另外,由于實(shí)驗(yàn)課程學(xué)時有限,不允許課堂上安排實(shí)驗(yàn)。因此,一般在前兩個實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,引出熱電偶數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)教師提出疑問,再與學(xué)生探討新的思路,學(xué)生可在實(shí)驗(yàn)室開放日的時間,進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室,動手實(shí)踐對熱電偶標(biāo)定裝置改進(jìn)。

熱電偶數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)主要任務(wù)是在溫度測試過程中,在測量端溫度上升的任意時刻,待標(biāo)定熱電偶和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在同一溫度下給出的模擬量(熱電勢信號) ,通過A/D 轉(zhuǎn)換將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。通過語言(C#,C,LabVIEW,VB等)編寫溫度采集軟件,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的溫度與其電勢的函數(shù)關(guān)系,將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶輸出的電勢信號轉(zhuǎn)換成溫度,再擬合出待標(biāo)定熱電偶的熱電勢-溫度(標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的溫度)特性曲線,實(shí)時顯示、記錄,最終得到待標(biāo)定熱電偶的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在這個標(biāo)定系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)了溫度檢測、數(shù)字顯示、信息存儲及實(shí)時控制。圖4為學(xué)生設(shè)計(jì)的熱電偶數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)。熱電偶數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)裝置可以自動采集數(shù)據(jù)代替人工手動逐個記錄數(shù)據(jù),還能自動處理數(shù)據(jù),生成檢定結(jié)果記錄。通過熱電偶數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì),學(xué)生不僅在這個過程中學(xué)會使用軟件工具,而且搭建熱電偶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),最終得到熱電偶數(shù)據(jù)自動采集。將理論與實(shí)踐聯(lián)系起來,使學(xué)生將課本知識應(yīng)用到實(shí)踐中,為實(shí)踐服務(wù),提高學(xué)生的動手能力及對本專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣。

圖4 搭建的實(shí)驗(yàn)臺Fig.4 Built testing stand

三、教學(xué)改革成效

通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn),學(xué)生對“動力工程測控技術(shù)實(shí)驗(yàn)”中熱電偶相關(guān)知識掌握更系統(tǒng),更全面。學(xué)生不僅掌握了熱電偶工作相關(guān)知識,更掌握了利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代企業(yè)測溫的方式。結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂情況及學(xué)生課后反饋的意見,發(fā)現(xiàn)學(xué)生反應(yīng)良好。通過此次實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng),提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。

四、結(jié)束語

現(xiàn)今,在高舉面向工業(yè)界、面向世界、面向未來,培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才,為建設(shè)創(chuàng)新型國家、實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和現(xiàn)代化、奠定堅(jiān)實(shí)的人力資源優(yōu)勢、增強(qiáng)我國的核心競爭力和綜合國力的旗幟下,國家提出了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”。該計(jì)劃是教育部著力實(shí)施的針對高等工程教育的重大改革項(xiàng)目,也是促進(jìn)我國由工程教育大國邁向工程教育強(qiáng)國的重大舉措[9-10]。上海理工大學(xué)是教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃高?！?是上海市首批卓越工程師教育的試點(diǎn)學(xué)校。在這樣的背景下,提高教學(xué)質(zhì)量,特別是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量顯得尤為重要,實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革勢在必行,其對培養(yǎng)卓越工程師技術(shù)人才有重要的作用[11]。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革,提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量,發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)功能,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、動手能力,對更好服務(wù)于“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”具有重要作用。

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(編輯: 鞏紅曉)

ReformandPracticeofSyntheticalExperimentofThermocouple

HuangXiaohuang,CuiGuomin,ZhaoZhijun,HuXiaohong,LiChen,LinShuxiu

(SchoolofEnergyandPowerEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

2016-08-15

2016年度教師教學(xué)發(fā)展研究一般項(xiàng)目(CFTD16002Y);2015年度上海市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃(SH2015008);上海市科委部分地方院校能力建設(shè)計(jì)劃(16060502600)

黃曉璜(1988-),女,實(shí)驗(yàn)師。研究方向動力工程測控技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究。E-mail:huangxiaohuang@126.com

G 642

A

1009-895X(2017)03-0277-04

10.13256/j.cnki.jusst.sse.2017.03.015